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森林作業ロボットの研究動向(その2)

2017年 9月13日

徐 海燕:
南京林業大学スマート制御・ロボット技術研究所、南京林業大学機械電子工程学院

修士課程研究生。主にロボットの機構及び制御に関する研究に従事。

姜 樹海:
南京林業大学スマート制御・ロボット技術研究所副教授、南京林業大学機械電子工程学院

博士。主にロボット技術、スマート制御技術の研究に従事

その1よりつづき)

3 育成作業ロボット

 森林育成は、当初は木材の育成のみを指していたが、科学技術の進歩と社会の発展に伴って森林に対する人々の認識が深まり、森林育成目標に対するニーズもさらに多様化した。それに伴い、森林育成に含まれる内容も苗木植栽、育成、造林等のさまざまな面に拡大するようになった[23]。これに対応して、森林育成作業ロボットの応用領域も拡大を続け、苗木植栽ロボットや森林育成ロボット、森林消防ロボットが登場した。

3. 1 苗木植栽作業ロボット

 植樹作業ロボットは、苗木植栽作業の機械化における主な設備であり、日本、カナダ、スウェーデンでこの種のロボットの研究が行われたことがある。日本では車輪複合式植樹機が開発され、傾斜度20°~30°の植樹造林に適用されている。当該機種の総重量は7500kgで、エンジン出力は68kWで、植栽器重量は184kgで、生産率は100株/hである[24]。カナダで設計されたセルフローダをベースとする容器苗整地植樹複合ロボットは、植栽機構が後方フレームに設置され、施肥、殺虫剤・除草剤噴霧装置を設置することができ、コンピュータプログラムで制御されることから、同時にいくつもの作業を行うことができる[12]。スウェーデンのAnna-Karin Bergkvist[25]はコンセプト型植樹ロボットを設計し、4足移動機構をベースとして、360°回転できるロボットアームを設置し、GPSとレーザーセンサの補助により険しい林地でも植樹が可能である。その上、生態系保護を考慮し、当該機種では森林廃棄物を燃料として蒸気エンジンを駆動している。カナダのNick BirchとTyler Rhodes[26]が設計した自動植樹機Tree Roverは四輪電機駆動を使用し、設定距離の中で苗木を自動的に植栽することができる。このため、作業には穴掘、種樹、圧力板による拍打が含まれる上に、さまざまな環境に適応して坂を上ったり下ったりすることができるが、このロボットの明らかな欠点は直線でしか進めないことである。

3. 2 育成ロボット

 森林育成作業とは、未成熟な森林において一部の林木を定期的に伐採し、幼林の生育を保証し、保留木の生長を促し、林木構造や品質を改善し、森林生産率を向上させる作業方式であり[27]、これには枝打ち、接ぎ木、森林整理の3つの分野が含まれる。日本はロボット技術の発達した林業先進国として、枝打ちロボット、接ぎ木ロボット、森林整理ロボット等のいずれの分野でも研究が行われている。

3. 2. 1 枝打ちロボット

 枝打ちロボットとは、遠隔制御が可能で、森林の老いた枝や弱った枝、曲がった枝を選定できるもので、伝統的な手作業に存在するコストの高さや安全性の問題を解決した[28]。日本はこの分野で多くの研究成果を上げている。セイレイ工業は無線リモコン型自動立木枝打ち機を生産しており、この機種は反力装置のチェーンソー式ノコギリ機構と低圧タイヤによる木登り機構等を備えているが、木の幹に対する通直度に高い要求があることから、一定の限界がある[29]。Kushihashiら[30]が設計した安全で操作が簡単なWOODY枝打ちロボットは、CCDビデオカメラとマイクロプロセッサが配備されているため、作業者は樹木の下に立ってロボットを拡張させたり、収縮させたりというような動作により幹全体の周りを登ったり下りたりさせることができる。Uekiら[31]は日本の伐木職人の木登りの手法を模倣して、小型かつ高速で垂直方向に登ることのできる枝打ちロボットを開発した。このロボットは4つの車輪で木の周りを取り巻き、一対の車輪は上方で、もう一対は下方で、直流サーボモーターで駆動し、摩擦力によって垂直に登るため、作業していないときに樹木を圧迫することはない。張俊梅ら[32]は日本の遠隔操作自動立木枝打ち技術をベースに、枝打ち機の遠隔操作運動制御システムに関する研究を行った結果、BSR-Z23型無線遠隔自動立木枝打ち機を開発した。この機種では、枝打ち機の上昇から枝打ち作業、枝打ち機の下降までの一連の動作をまっとうできるようになった。

3. 2. 2 接ぎ木ロボット

 接ぎ木ロボットは極めて短い時間で接ぎ木ができ、切り口が長時間空気にさらされることによる酸化や苗木の幹からの液体の流失を防ぐことができるため、接ぎ木の活着率を高め、接ぎ木品種の優良な性質を維持できる。接ぎ木ロボットの主な適用対象は野菜であり、研究はまだスタート段階にすぎない[33]。井関農機が開発した接ぎ木ロボットGrafting Komachiは、コンピュータ制御により自動苗木輸送、挟持、搬出等の作業ができる上に、苗木輸送の際にセンサによって作業を感知し、かつ、自動停止できる[34]。その後、多くの企業が自主開発による接ぎ木ロボットを相次いで発表しており、その例としては三菱のMGM600型、コマツのTGR型、ヤンマーのAG1000型、T600型接ぎ木ロボットがある[35]。韓国でも小型半自動式接ぎ木ロボットが開発されたが、接ぎ木法としては寄せ接ぎ法を採用したため、普及には一定の制約があった。その後、この制約を解決するため、Idealsystem社はコンピュータ制御をベースとした出針式全自動接ぎ木ロボットを設計した。このロボットは入れ子法を採用したため、作業スピードが速い[36]。王鋒鋒ら[37]が設計したアブラツバキの接ぎ木ロボットシステムでは割り接ぎ法を採用し、PLC制御によって苗の取得、苗のカット、接ぎ木、苗の廃棄等の自動化作業を完全に行うことができた。

3. 2. 3 森林整理ロボット

 残された樹木の生長条件の改善を目指し、森林内の整理効率を向上するために、森林整理ロボットに人々は目を向け始めた。日本はディーゼルエンジンを動力とする車輪複合式整地ロボットを開発した[12]。このロボットには苗木識別装置と無線遠隔操作装置が取り付けられており、障害物乗り越え能力は50~150 cmである。また、このロボットの油圧アームの端部には油圧式刈払機又は穴掘機が取り付けられているため、1台で多用途が実現された。Karin Vestlundら[38]が設計した森林整理ロボットは、配備されている機器視覚処理システムやレーダー、レーザスキャナによって障害物を回避することができ、あるいは樹木の特徴を識別することによって、対象の木は樹木の主幹とすべきか、又は裁断すべきかを判断することができる。また、このロボットは無人監視の状態でも独立運行が可能である。陸懐民[39]と劉晋浩[40-41]がSDWY-60型クローラ型油圧ショベルの車台を歩行機構として採用し、設計した林木伐根撤去ロボットには、6自由度の伐根撤去ロボットアームが取りつけられ、回転台前方に設置されたビデオカメラを介して画像の自動視覚識別を行い、コンピュータで計算し、かつ、ロボットアームの各関節の運動を自動制御することによって、伐根撤去作業を実現している。

3. 3 森林消防ロボット

 森林消防ロボットは、主に森林火災の巡回検査(火種や残り火の監視を含む)や消火救援を行うことから、火災による損失や火災発生の可能性を減らすことができる。日本で実用化された消防ロボットが最も多く、1980年代には5種以上のロボットが設計され、大阪や東京等における都市消防機関に配備されている[7]。このタイプのロボットは内燃機関もしくはモーターを動力としており、車輪型またはクローラ型を採用していることから、坂を登り、障害物を乗り越えることができ、流量の大きい消防ノズルやガス検知器、テレビ監視設備を備えている。アメリカで設計されたOshkosh Phoenix[42]は8つの車輪により駆動され、タイヤ内の空気圧が地形に応じて自動調節されることから、60°の険しい坂を登ることができ、高分解能のビデオカメラと赤外線スキャンシステムを備えるため、煙霧を透過して火の元を正確に探し出すことができる。また、DemoIII計画[43]では、小型の国産地上消防ロボット車両の開発を重点的に行い、障害物探査に立体資格を採用し、遠隔操作による有人又は無人運転が可能となった。なかでも、DemoIII Bは、植被のある険しい地形での昼間の走行速度が32km/hに達した。ドイツのマクデブルク・シュテンダル大学で設計されたコンセプト型6脚式バイオニック消防ロボットOLE[44]は、20~30km/hのスピードで森林内歩行・巡回することができ、GPS、赤外線センサ、煙探知機等にガイドされて火種を探し出すことができる。

 上海強師JMX-LT50型消防消火ロボットは、中国で1台目となる車輪型消防ロボット[45]であり、0.4mの溝を跨ぎ、0.25mの障害を乗り越え、30°の坂を登ることができ、消防ノズルの噴射包鋼を無線により遠隔操作することができ、ビデオカメラが設置されているため、火災現場をリアルタイムで監視することもできる。孫鵬、陸懐民[46]が設計した、森林内の険しい路面の走行に適した小型車輪-クローラ複合式ロボットには、ナビゲーションや無線通信、監視設備等のモジュールが備えられているため、登坂し、溝を超えることができる。姜樹海、張楠[47-48]は、カブトムシをバイオニクスの原型として新型の6脚式消防ロボットを開発した。このロボットには、マイクロプロセッサとセンサ、シリアル通信等のモジュールが備えられているため、地形条件に応じて異なる歩行態勢をとり、障害物乗り越えや登坂等の動作を行うことができる。このロボットは必携である消火器のほか、ロボットアームも取り付けられているため、鋸歯を使用して途上の樹枝を整理できるだけでなく、温度検知機で残り火を検知することもできる。

4 研究の展望

 森林作業ロボットは、一貫して国内外のロボット研究における関心事の一つであり、伐採・搬出、育成等の多くの領域ですでに多くの研究成果が上がっているが、研究や成長の可能性はまだ広がっている。現在の技術水準や発展段階に即して見れば、森林作業ロボットの将来的な研究における重要技術と発展の方向性は次の分野に集中するだろう。

  1. 移動機構。森林の地形環境は複雑で変化に富み、平坦なエリアがあれば、険しい坂や裸石、樹枝等の障害物の多いエリアもある。このような環境では、車輪型やクローラ型ロボットでは移動が緩慢なばかりか困難なこともあり、地面との間で絶えず摩擦が生じるため、ロボットの損傷が大きい。他方、多脚型移動機構であればこのような地形条件に適応できる上に、近年のバイオニクス研究の深まりに加え、自然界の動物が持つ優れた身体構造という長所により、バイオニクスに基づく多足ロボットの研究はロボットの移動機構研究における重点の一つとなるだろう。
  2. 複数ロボットアームによる協同作業。森林作業では、「作業」という2文字にロボットアームの重要性が表れている。多機能化という主な流れの中でロボットの作業内容は増加を続けている上に、同時進行の必要もあることから、複数ロボットアームの研究がさらに重要となっている。森林におけるさまざまな作業内容を結合させ、将来的には複数ロボットアーム構造と複数ロボットアーム間の協調作業の面で研究を広げることができよう。
  3. マルチセンサ融合。伐採・搬出や植樹のみならず、伐根、接ぎ木作業においても、森林作業ロボット研究における重要な内容は標的物の識別と位置決定である。このため、ロボットには良好なマルチセンサ情報融合技術が求められる。GPS、視覚、圧力等のセンサによって感知された情報をコンピュータに送り、センターで融合・処理を行ってロボットの運動機構を指示通りに操作するまで、センサは作業の進捗を絶えず感知し、フィードバックする。将来的には、さらに多くの関連センシング情報を融合することによって、作業の精度とロボットのスマート化を向上させることができる。
  4. 新型ロボット。新型ロボットの研究のためには、森林作業でまだロボット化されていない新たな領域を見つけ出し、ロボット開発の必要性と可能性を模索する必要がある。例えば、林業専用の病虫害予防ロボットはまだ登場していない。また、近年、森林では自然災害が頻発しているため、森林災害防止ロボットの開発も森林作業ロボットで今後、研究可能なテーマの一つである。
  5. エコロジーな作業。エコロジーな作業では、森林における作業時間において環境への配慮がなされているだけでなく、作業の際にロボットが森林環境を破壊しないことが要求される。例えば、作業の際に地面に車輪の跡を残さないことや、周囲の樹木を傷つけないことが求められる。このため、動作の機敏な小型作業ロボットを開発し、環境にやさしいエネルギーを駆動エンジンに採用し、かつ、脚や車輪等の歩行機構に処理を施し、地面に対する圧力を低減することも可能だろう。

(おわり)

参考文献:

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※本稿は徐海燕、姜樹海「森林作業機器人研究動態」(『世界林業研究』2017年第30巻2期、pp.51-55)を(『世界林業研究』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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